曝气对生物促生剂修复城市黑臭河道水体的影响

摘要：

在实验室条件下研究了曝气对生物促生剂修复城市黑臭河道水体效果的影响，并通过控制曝气时间及强度考察处理效果以确定曝气方式和曝气量。结果表明：在生物促生剂修复城市河道黑臭水体过程中使用曝气协同作用可大大增强生物促生剂的修复作用，加快修复速度。使用间歇曝气协同生物促生剂作用时效果与连续曝气相近，且可以降低运行成本。实验60d后，上覆水C0D、NH3-N和TP去除率分别达46.8%、98.7%和73.3%，上覆水pH由7.61提高至7.92；底泥削减达5.49cm，底泥有机质削减率达10.5%。

关键词：生物促生剂、曝气、城市河道、黑臭、竹排冲

中图分类号 X522 文献标识码 A 文章编号 1673-9108（2012）12-4281-08

城市河道黑臭是当前众多城市内河面临的严峻污染问题，内河黑臭严重影响了城市的发展。我国许多城市相继开展了大规模的城市黑臭内河整治工作。

研究人员已提出众多方法整治黑臭河道，如清淤换水、生物净化、生态修复等。其中，生物修复是一种原位治理技术，其治理成本远低于清淤工程。目前生物修复已有较多研究，如使用生物复合酶、微生物等对底泥进行修复。生物促生剂是微生物修复的一种，通过向水体中加入生物促进剂，促进微生物的生长，以达到改善水体环境，降低污染物浓度的目的。生物促生剂在地表水、土壤及底泥的修复中已有研究，但单独使用生物促生剂修复水体时，上腹水及底泥中氮、磷、COD等指标含量较高。而曝气则是河道修复中的一种常用技术，广泛应用于河流及湖泊的治理中，主要形式有固定式和移动式。曝气技术在黑臭河道的整治中也有较多研究。甚伟等研究了低强度曝气技术修复黑臭河道水体的可行性，但研究主要侧重于上覆水。卢丽君使用生物促生剂及曝气联合作用修复受污染的底泥，由于侧重底泥修复因而对上覆水修复效果不理想，也未就曝气方式进行深入研究。曝气技术用于治理黑臭河道过程中成本大小的主要决定因素之一是曝气时间，在达到相同处理效果的情况下，所使用的曝气时间越短，处理成本越低。因此，研究不同曝气时间对黑臭水体的处理效果，选择经济、可行的曝气方式对实际工程应用具有重要指导意义。

南宁市正着力打造“中国南方水城”，竹排冲河道作为南宁市水城建设的标志性区域正在进行综合环境整治，该河道长35.9km，流域面积117km2。目前下游大部分人河污水已经截污，但上游由于种种原因无法完成截污，仍然有大量工业、农业和生活污染源的污水直排人河，对河道水体造成严重污染并呈现严重黑臭现象。竹排冲黑臭河道整治是南宁市水城建设面临的首要问题之一。有研究表明，当温度达到25℃时，河道发生黑臭的可能性最大。而南宁市年均气温较高，每年3月份开始，温度回升导致底泥厌氧发酵加剧，大量底泥上浮导致竹排冲河道呈现严重黑臭现象，部分河段常年处于黑臭状态，对南宁中心城区景观及居民生活造成极大影响。本文拟在使用生物促生剂修复竹排冲黑臭水体过程中使用曝气协同作用，确定曝气方式及曝气量，以改善水体黑臭现状，为南宁市竹排冲河道黑臭的整治提供理论及技术支持。

1 实验部分

1.1 实验对象

本实验所用底泥及上覆水均采自竹排冲河道。处理前底泥及上覆水中各污染物初始浓度为：C0D80～99mg/L，TP0.75～1.73mg/L，NH-N45.70～82.81mg/L，pH7.43～7.61，底泥有机质7.54%～8.83%。

1.2 实验材料及方法

1.2.1 实验仪器

Agi1entUV1800紫外可见分光光度计，梅特勒-托利多便携式溶氧仪，01J2003-04型立式蒸汽灭菌器，WMX微波密封消解C0D速测仪，DHG-9076A恒温干燥箱等。

实验所用装置为圆柱形的有机玻璃装置，装置直径20cm，高1m。自底部开始每隔5cm开一小孔，孔径1cm，小孔上装有阀门供取样使用。装置示意图见图1。

1.2.2 实验药品

实验所用生物促生剂（简称药剂）主要成分为矿物质、维他命、氨基酸、瞟岭和畸院等天然物质。主要用于促进兼气型微生物的生长。

1.2.3 实验方法

根据南宁市竹排冲黑臭河道中河水及底泥现状，实验中底泥厚度和上覆水深度均设置为50cm。实验中由于水质监测及蒸发等因素会导致上覆水减少，因而实验过程中需及时补充上覆水，补充用水同样采自竹排冲黑臭河道。为研究曝气对生物促生剂修复黑臭底泥和水体处理效果的影响，并确定曝气方式及曝气量，使用自制有机玻璃实验柱设置4组实验。A组为空白对照组，不进行任何处理；B组每天分别向底泥及上覆水中按照5mLIm3的体积比加人100倍稀释后的生物促生剂，但不进行曝气处理；C组加人与B组同等剂量的药剂，且进行连续曝气（CA）处理，使D0全天维持在8mgIL以上；D组加人与B组同等剂量的药剂，且进行间歇曝气（IA）处理，由于实验所用生物促生剂主要用于促进兼气性微生物的生长，因而每天曝气3h，全天维持D0浓度在2～3mgIL，以促进兼气型微生物的生长，降解上覆水及底泥中的污染物。C、D组曝气头均位于泥水界面上方约10cm处，对底泥不产生扰动。实验过程中使用60W白炽灯模拟太阳光照，每天光照10h，所有实验柱均用锡馅纸包裹以避免底泥直接受到光照。所有实验柱内温度均维持在25℃左右，即最易产生黑臭现象的温度范围。实验中使用连续曝气与间歇曝气2种方式与生物促生剂联合作用，探索曝气对生物促生剂修复城市黑臭河道水体的影响以便确定使用何种曝气方式比较经济、可行，整个实验过程进行60d。

取样和分析：笔者前期对竹排冲河道的研究表明，竹排冲水体黑臭的嗅阔值与溶解氧（D0）、化学需氧量（C0D）和氨氮（NH3-N）等有较大相关性，所以在氮的去除方面重点考察氨氮的去除情况。每天监测水体中溶解氧（D0）、温度（T）、pH及底泥厚度。定期取样监测上覆水化学需氧量（C0D）、氨氮（NH3-N）和总磷（TP）及底泥有机质。各指标检测方法参照相关文献。通过对各类指标的监测，研究曝气对实验效果的影响。

2 结果与讨论

2.1 上覆水改善效果

2.1.1 对水体C0D的影响

由图2可见，A组C0D在实验过程中基本稳定，至实验结束时C0D去除率仅为7.5%;B组在添加了生物促生剂后C0D浓度有所上升，在第45天时经历了峰值后有下降趋势，至实验结束时C0D去除率为42.6%;C组生物促生剂与连续曝气协同作用，C0D浓度在第35天经历了峰值后开始下降，至实验结束时C0D去除率为54.0%;D组生物促生剂与间歇曝气协同作用，C0D浓度在第35天经历了峰值后开始下降，至实验结束时C0D去除率为46.8%，但D组C0D浓度峰值较B组和C组要小。生物促生剂联合曝气处理2个月的C0D去除率为40.0%～55.0%，与上海上澳塘鼓风曝气处理和苏州河纯氧曝气处理C0D的去除率相当。由实验结果可见，添加生物促生剂后上覆水中C0D浓度有所上升且在较长时间里保持较高水平，这一结果与其他研究人员的研究结果相似。在处理前期，上覆水C0D浓度上升，可能是底泥有机污染物释放至水中的结果。生物促生剂的添加使土著微生物迅速生长并对底泥进行降解，加之底栖动物的扰动等，都会促进底泥污染物释放至水体中。而曝气的使用一方面可以加快水体有机污染物的降解，降低C0D的峰值，另一方面也提前了峰值出现时间，即加快了生物促生剂对水体的修复速度。使用生物促生剂加曝气的方法C0D去除率稍高于单独使用药剂的处理方法，而使用连续曝气时C0D去除率又略高于间歇曝气，但上覆水中C0D浓度及峰值也略高于间歇曝气。

2.1.2 对NH3-N的影响

前期研究表明，NH-N是竹排冲河道黑臭的主要评价因子之一，而TN与嗅阔值的相关性不大，因而本研究采用NH3-N而非TN作为考察指标。上覆水中氨氮主要来自2个部分，一是实验前水体中原有氨氮，二是底泥中有机氮经氨化反应所产生的氨氮。由图3可见，空白对照组（A组）NH3-N浓度无较大变化至实验结束时去除率仅为20.4%，主要原因是在没有外源污染进入的情况下自然降解使NH3-N浓度降低，但由于没有足够的氧气提供给氨氮氧化分解，氨氮的去除率较低。B组添加生物促生剂后NH3-N浓度有较大幅度变化，总体呈上升趋势，在第50天时经历了峰值后有下降趋势，但至实验结束时NH3-N浓度仍保持在较高水平，较初始值增长了60.3%。主要原因是生物促生剂的添加，加速了微生物的生长，在实验开始时加快了氨氮的氧化分解，但随着实验的进行，水中溶解氧被迅速消耗，底泥发生厌氧分解，其中的有机氮被氨化细菌分解产生氨氮，使水中氨氮积累并增加，整个实验过程氨氮浓度也随着发生两降两升的变化过程。C组和D组变化趋势相近，NH3-N浓度分别在第30天和第20天开始大幅下降，至实验结束时NH3-N去除率分别为99.2%和98.7%。可见曝气大大提升了生物促生剂对NH3-N的去除效果，极大地缩短了修复时间。曝气对水体中NH3-N有一定的吹脱作用，且曝气营造的好氧环境也抑制了NH3-N的产生、加快了氨氮的分解，从而有利于消除水体黑臭。

2.1.3 对TP的影响

由图4可见，A组TP浓度总体变化不大;B组TP浓度在第35天经历峰值后有所下降，至实验结束时去除率为43.9%;C组TP浓度总体低于B组，去除率为63.3%;D组TP浓度在第20天达到峰值后呈下降趋势，从第50天开始保持平稳，至实验结束时去除率为73.3%。可见曝气有利于生物促生剂对TP的去除，而间歇曝气促进了兼气型微生物的生长，对TP的去除效果要优于连续曝气。水体中磷的主要来源有：水体自身原有的磷、底泥有机磷转化为可溶性磷释放、底泥非溶解性无机态磷转化为溶解性磷释放和底泥溶解性磷脱吸附释放。影响底泥磷释放的因素包括温度、pH、氧化还原条件（溶解氧）、微生物作用、以及底泥悬浮扰动、底栖动物机械扰动等。研究表明，底泥有机物在好氧状态下，能加速其内源磷的释放;也有研究人员认为，供氧可以抑制底泥磷的释放。由图4可见，实验前30d，间歇曝气水体TP高于连续曝气，可能是由于溶氧较低而导致底泥释放较多内源磷。第30天后，间歇曝气水体TP低于连续曝气。一般认为，厌氧-好氧交替有利于水中磷的去除，因为厌氧-好氧交替时聚磷菌的作用得到了增强，这也可能是间歇曝气除磷效果好于连续曝气的原因。

2.1.4 对pH的影响

由图5可见，空白对照A组pH较为稳定，无较大变化，其他组均有上升，上升幅度大小依次是C组＞D组＞B组。有研究表明，上覆水pH的升高有利于底泥内源磷的释放，而生物促生剂可以提高水体pH，增加底泥内源磷的释放，而曝气的使用则加大了pH上升的幅度，且连续曝气时pH上升幅度大于间歇曝气，这可能也是连续曝气辅助作用时上覆水TP去除效果不如间歇曝气的原因。

2.2 底泥修复效果

2.2.1 底泥削减效果

由图6可见，空白对照A组在实验中底泥厚度仅有小幅变化（0.90cm），其他组均有大幅降低，实验60d后底泥减量大小依次为B组4.26cm、C组5.80cm、D组5.49cm。可见生物促生剂对底泥有较好的减量作用，而曝气提升了生物促生剂对底泥的削减效果，原因可能是曝气加快了某些微生物的生长，从而加快了对底泥的降解速度。此外，从图6还可以看到30～50d两个曝气组的底泥削减速度明显加快，可能是由于底泥中的微生物经过了30d的驯化后进入对数生长期，此后速度加快趋势减缓，可能是微生物数量逐渐接近顶峰，微生物生长接近平稳期。

2.2.2 底泥有机质削减效果

有机质污染是水体发生黑臭的三大机理之一，有机质的降解将有利于消除水体黑臭。由图7可见，A组有机质在实验过程中基本保持稳定;其他组在实验进行60d后有机质削减率分别为B组9.6%、C组9.3%、D组10.5%。且由图7可见B、C、D3组有机质削减速率均在实验30d后开始增大，这与上覆水中各污染物的去除及底泥厚度削减变化趋势一致。此外，间歇曝气更有利于促进生物促生剂对底泥有机质的降解，因为间歇曝气有利于兼气型微生物的生长，与所用生物促生剂有协同作用。

由以上分析可见，曝气提升了生物促生剂对上覆水和底泥的修复效果，各指标实验前后变化见表1。

从表1中可直观地看出，经过60d的修复，生物促生剂能够较好的去除黑臭河道水体中C0D、TP和有机质，而曝气可以提高以上污染物的去除率；生物促生剂会大幅度增加水体中的氨氮浓度，曝气则可以大幅度消减氨氮浓度，去除率约达到99.0%。使用生物促生剂对城市河道黑臭水体进行修复时会导致水中各类营养物质在较长时间内保持在较高水平，但曝气的使用则可大大弥补这一缺陷，有利于上覆水中各类污染物的去除，且曝气可提升水体pH，有利于底泥内源磷的释放。在曝气方式上间歇曝气与连续曝气的处理结果相近，且间歇曝气时水中TP的去除和底泥有机质的降解要优于连续曝气，因为间歇曝气有利于兼气性微生物的生长，与所用生物促生剂具有协同作用，而间歇曝气的成本却只有连续曝气的1I8。因此，在实际应用中使用低强度的间歇曝气与生物促生剂协同作用更经济、可行。此外，从以上分析中还可以看到，各指标在实验进行30d后变化幅度开始增大，说明使用生物促生剂与曝气协同处理城市河道黑臭水体时微生物驯化周期约为30d。

3 结论

使用曝气协同生物促生剂修复城市河道黑臭水体，结果表明：

（1）生物促生剂对城市河道黑臭水体有良好的改善效果，而曝气的使用则提升了生物促生剂对黑臭水体的改善效果。使用间歇曝气协同生物促生剂作用时，实验60d后，上覆水C0D去除率达到46.8%；NH3-N、TP浓度分别由地表水劣V类变为III类，去除率分别达98.7%和73.3%；上覆水pH由7.61提高至7.92左右，对底泥内源磷的释放具有促进作用；底泥削减达5.49cm，底泥有机碳削减率达10.5%。

（2）使用间歇曝气方式可以达到与持续曝气方式相近甚至更好的处理效果。每天曝气3h，控制水体溶氧浓度在2～3mgIL之间，有利于兼气型微生物的生长，与所用生物促生剂有协同作用。

（3）生物促生剂与间歇曝气联合使用修复城市黑臭河道水体时微生物驯化周期约为30d。

（4）生物促生剂的主要作用为促进上覆水及底泥中微生物的生长,以此修复黑臭水体。因此对生物促生剂与曝气联合作用过程中上覆水及底泥中微生物的种类、数量及各微生物的作用开展进一步分析,了解生物促生剂修复与曝气联合作用的深层机理,对实际工程应用将具有重要的指导意义。此方面的研究还有待深入。